电动汽车永磁无刷直流电机的轴向永磁体的运动轨迹设计N. A. Rahim, Member, IEEE, Hew Wooi Ping, Member, IEEE, M Tadjuddin 摘要：汽车制造商如丰田、本田、福特和现代都在从事紧急的研究、开发和制造燃料高效、环保的混合动力电动汽车。

电动机是混合动力车辆一个主要的能源消耗零件。

在驱动时电机除了要求高效率,还必须有强转矩和紧凑的设计。

本文设计一个电动马达直接驱动电动车辆。

设计了一种永磁电机以轴向磁槽内stator-non类型。

初步设计了一个电机转子16对磁极低速稳定的旋转下高转矩和大密度能量。

电机设计时利用Ansoft Maxwell3D进行了模拟电磁仿真有限元法(FEM)软件得到一定的参数。

电机安装在一个实验平台上，用实验测试数据对其结果进行比较,得到了仿真结果。

关键词：电动车、轴向磁永久性的永磁电机、驱动1引言电动汽车(EV)在不久的将来能成为一种非常明智的选择的交通工具。

一般而言,它是物美价廉,无污染的个人运输需要一种的新的方法。

大卫卡先生在1870年开发了一辆由笨重蓄电池和轻型电机组成的汽车，但是驾驶的速度和续航里程都很差。

在这多年后, 1898年年仅23岁得费迪南德保时捷博士制造了自己的第一辆车,Lohner电动四轮马车。

这是世界上第一辆前轮驱动的汽车。

他的第二辆汽车是一个混合型的,利用内燃机旋转带动发电机发电，驱动安装在车轮毂中的电动机。

单靠电池这辆车可以行使40公里。

在世界各地，有很多研究人员和工程师一直研究和开发最适合的电动汽车电机，是一个正在进行的敏锐过程。

永磁无刷直流电机已经成为电动汽车运用中最普遍的电机。

高级电源电子技术,比如适当的转换拓扑结构,自控制技术和强大的数字信号处理使我们能够建造一个高效、紧凑的驱动系统。

永磁无刷电机最突出的特点紧实度、低重量和高效率。

正是由于这些原因，永磁无刷电机为电动的发展提供了一个很好的选择。

永磁无刷电机已经成为实现发展电动汽车的实特殊要求的电机。

如高功率密度、高效率、高起点转矩、高航速。

运用于电动汽车中的电动机又被划分为间接驱动电动机和直接驱动电动机。

设计在车轮里的直接驱动电机叫做车轮马达或者轮毂电机。

它直接安装在车轮里面。

该款电动机不使用传动齿轮和机械差动齿轮传递机械作用力，同时直接驱动电机使用机械传动系统把力从电动马达传递给车轮。

机械传动系统造成额外的体积、重量和功率损失。

没有机械传动部件直接驱动系统通常提高整体效率,使车辆更小。

根据磁通量的不同，电机又被划分为两种类型。

径向式转子磁路电机(RFM)和切向式转子磁路电机（AFM）。

径向式转子磁路电机的磁通量径向通过定子、气门间隙和转子而AFM 是切向方向的。

和RFM相比，AFM能够提供更高的电磁转矩[6]。

对于直接驱动电机来讲，AFM比RFM更有优势。

例如平衡定子的吸引力、更优良的散热性能和调气隙。

多种构造的切向式转子磁路电机被用于许多高性能中[1, 3]。

这种电机能够用于更高效率的比转矩。

和有槽的切向式转子磁路电机相比，无槽的转矩脉动低[3]。

有许多轴向磁介质、大功率永磁转子与外部的运用,尤其是对电动汽车。

这种类型的电机具有突出的低速性能、高转矩特别，特别适合来来往往的巴士和穿梭挺。

小型电动汽车可以直接安装在车里上[2]。

本文的设计和实验室用的切向无槽式永磁电机，它被放置在一辆摩托车车轮里面。

2 设计原理电机设计进行了一下部分讨论，电机原先是被设计安装在电动摩托车的车轮里面。

2.1车辆动力学一个对车辆性能展现的简单车辆动力模型。

车辆动力模型包括负载(Fw)、，滚动阻力(fro )、空气阻力(fro )和上坡阻力(fst )。

F w = fro + fl + fst (1)滚动阻力是道路使轮胎变形产生的：fro = fr . m . g (2)上坡阻力（f st 是正号）下坡阻力（fst 是负号）：fst = m . g . sin α (3)由表-1中的参数建立的模型已经被用于评估计算切向电机的衰减区域。

首先，所需的力必须要算出来。

从定义上加速度是单位质量所需的推动力：a= = dv dt =F M (4)或者时间tf 跟力的积分或者力跟速度dv 的积分：m ∫dv F Vrv 0 = ∫dv tf0 (5) 额定功率Pm 。

左边的方程式（6）可分为恒转矩（电机加速到Vrm ）和恒功率（电机从Vrm 加速到Vrv ）的积分：m ∫dV Pm/V Vrm 0 + m ∫dv Pm/V vrv Vrm = t f (6) 现在可以求得电机功率Pm,我们得到：Pm =m 2tf (v 2rm + v 2rv) (7) 恒转矩方式达电机速度达到vrm,然后在恒功率运行模式达到最大速度v rv的时间tf 。

如我们设计在10秒之内达到50公里/小时（13.88m/s ）(vrm =10m/s,vrm = 13.88m/s 、tf= 10s)。

如果电机和乘员的质量是120kg,比功率取决于vrm 和vrv的比值。

当初速度vrm=0时，电机功率为1755.9.电机所需要的转矩可以用（1）得出。

风阻假定为0，车辆是跟道路平行。

力F 为166.5 N 、轮胎半径0.23米,转矩为38.3Nm 。

A 、 电机设计电机设计最需要强调的饿参数是共同扭矩和反电动势。

当一个通电导体被放置在一个磁性领域,它可以产生力，又称为电磁力。

这种力量是至关重要的,因为它就是电机、发电机和许多电器仪表最基本的原理。

一个力的大小取决于导体的方向对磁场的方向。

当导线垂直领域力最大和当它平行是力为零。

最大的作用力直导线上：F = Bli sinθ (8)F是导体上作用力,B是电机的磁通密度,l是导体长度, θ是导体电流方向和磁场的夹角。

在切向电机中导体的长度之间的区别是定子的外半径、磁漏和内半径。

假设电机中穿过导体截面积的磁通密度不发生明显变化,作用在导体上的机械力Fc用一个径向长度可以表示如下：Fc = B c i(r0–r i) (9)Bc是最大有效磁能的永磁体最佳工作点磁通密度标。

Fc = 2NcBci(r0-ri) (10) 单一导体的转矩为：Tc=rmB(r0-ri) （11） r m是运动的转子绕组平均半径对,定义为(ro +ri)/ 2。

比扭矩应跟每个圈数有关。

Tcoil=2NcrmB(ro-ri) (12)产生电机的运行过程中产生反电动势,利用相对速度计算了导体速度(ω)和永磁体每卷转线圈数(Nc):Ecoil=2NcwrmB(ro-ri) (13)从磁静力有限元模拟来确定电机的磁通密度。

磁线、磁通密度的情节如图1所示。

定子绕组线圈被安排在转子上面（中心的长轴)。

当前,线圈绕组注入按顺序排列。

通有电流的导体对嵌入磁铁的转子做相对运动。

三、部分的设计及模拟轴向磁永磁电机在磁路上不同于传统的电机。

电机被直接设计在车轮上驱动(in-wheel)如图2所示。

电机轴向磁放在轮胎的边缘一侧。

电机的旋转部件放置在定子的两侧。

这些部件可连同整个车轮自由旋转。

在这个设计中,三相绕组排列在环形定子上。

1.仿真参数利用Ansoft Maxwell3D设计软件电磁仿真有限元分析软件进行模拟仿真。

仿真先假设法目标模型为某电动摩托车输出(1.7 kW)。

然后进行模拟磁静态就是运行在每一步转子位置角相对位置定子。

这个模拟中输入的参数要考虑是永久性的磁体厚度、气隙宽度及磁性的活性物质图3显示的是利用Maxwell3D仿真软件做出的电机。

从这个模拟可以确定垂直通量密度,线圈(Bc)。

电机的转矩和反电势模拟值可分别采用计算方程(12)和(13)算出。

Table-II中的仿真参数要满足电动机的实际要求。

2..仿真结果图5显示模拟转矩就轴位置、图6显示仿真反电动势。

在这个模拟额定电流12A和额定转速的700 rpm,电机可以产生一个最大的扭矩的26个N.m 和反电动势157V。

这些结果表明,该电机可以实现电动摩托车动力需求。

四、制造和试验工作轴向电动机基于模拟参数制作。

马来西亚的几个实验室对其性能进行了测试研究。

1、:面向制造的设计制造该设计的轴向磁永磁电机最大的关键点的是保持定子、转子的线圈绕制的气门间隙。

磁力相互作用和转子磁铁定子背铁相当大(模拟该电机的值是752 N)。

电机的气隙间隙需要尽可能小。

设计电机的气隙间隙是1毫米。

永磁轴向电机转子装配图和零件图如图7和图8所示。

2、实验工作实验装置如图9所示。

一个和LabVIEW™合作的国家实验数据采集系统使用数据采集系统接口用来获取试验数据,绘制性能曲线。

得出实验的主要性能参数、电机的电动势和转动扭矩。

在巡航速度测试时，电机关键部分零件运动是二次测量温升也被记录在案。

图9所示的电机实验平台。

图10号和11号数据显示的反电动势扭矩。

最大的输出反电动势的300 V的峰值,扭矩输出时额定电流大约有25A。

反电动势的测量,电机在被加速到一定速度下得到了电机的转动轮子速度,然后测量终端电压。

在这种情况下,电机相当一个发电机。

在任何负荷条件下,电机终端测量的电压等于所产生的反电动势。

扭矩传感器测量使用压力传感器。

load-cell力传感器安装在自由转动的轴上。

电流以恒定值注入到电动机的逆变控制器中。

车轮因为加载负载刹车。

在很短的时间内扭矩增加到最大值。

扭矩也可以提高到额定值的两倍。

五、讨论实验结果已经进行了仿真验算。

反电动势的实际值,在测试过程中电机在301 Vp-p时转速为700rpm。

试验结果比在314 Vpp仿真下低了4.1%。

实验结果和仿真结果之间的差别的可能是由于绕组在生产过程稍微不同而产生的,由于模拟物理约束它不能做到底。

实验过程中产生的扭矩为25NM而进行了模拟扭矩的约26NM。

六、总结轴向永磁电机的设计、仿真和测试的已经作了综述。

最大扭矩大约25NM,电机反电动势301 Vp-p时转速700转/分钟。

电机的设计已经达到了规格要求和这个设计电机适用于电动汽车的应用。

为进一步调查,应采用耐久性试验来确定温升及机械装配的韧性。

优化设计参数与变化,如空气间隙、绕组和永磁体尺寸等可以提高电机的性能。

（注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）。